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行星际物理
[ 录入者:admin | 时间:2010-05-28 17:57:22 | 作者: | 来源: | 浏览:1862次 ]

2.1 太阳最外层大气--日冕等离子体

    太阳的能量主要是太阳内部热核反应提供的,太阳能量以电磁辐射的形式传输到行星际空间,在地球上测量到垂直太阳光每平方厘米每分钟辐射的太阳能量几乎是不变的,叫太阳常数,为1.950卡/厘米2·分。由此反推太阳光球温度为5700K,由太阳光球向外,太阳大气密度迅速减少,光的辐射也减少,太阳可见光辐射主要来自于太阳表面约几百公里的光球层内。光球层以上数千公里厚的上层大气称为色球层,色球层气体密度很低,但温度却很高。直到10000~20000公里,达到日冕区温度达到1.5×K。有色球到日冕这外层大气是太阳最热最活跃的大气层。

    太阳外层大气中有许多重要的活动区和结构直接影响这行星际物理过程。其中最重要的有耀斑、日珥、冕洞、日冕瞬态事件。

    耀斑是发生在太阳外大气层中的暴发事件,在局部地区,数十分钟内突然释放出巨大能量,一个大耀斑释放的能量约为尔格,相当数千个氢弹爆炸三能量。耀斑的暴发除光辐射增强外,电磁辐射各波段辐射都增强,同时有高能质子和等离子体云发射到行星际空间。它们对地球有直接的影响,地球上空电离层骚扰,地磁暴,地球极区的极光暴发,发生在地球外空影响卫星的事故,等等。

    在太阳日冕等离子体中磁场起着支配的作用,那里的许多结构、活动都与磁场位形变化有关,日冕等离子体部均匀结构也受磁场支配。被称为冕洞的区域是日冕中低温低密度区,它是与开放型单极区磁场相联系的。日冕中一些拱形的结构则多是与偶极的闭合磁场位形有关。

    日冕中有激烈的运动,经常有物质喷射到行星际空间,只是通过日冕仪观测结果已经付出了巨大的劳动,又由这不充分的观测推断性研究日冕物质抛射的物理过程。虽然这距离认识真实物理还有很远的距离,他们却把这做为终身事业孜孜以求。

2.2 太阳风

    由太阳日冕向外喷出高速等离子体流--太阳风,已反复为许多飞船观测证实。但是太阳风的加速机制却绝非上述那么简单。首先,太阳风并不是由太阳均匀的向外膨胀,太阳风本身由许多结构,形成许多流速不同的渠道。其次太阳磁场起很大的作用,当这磁场和太阳风一起由太阳流出来又形成许多花样。最后,大家早已知道等离子体与普通气体有很大区别,那就是等离子体极不安分,即使磁场也约束不了它,无论放在哪里都生出是非和波澜。这样在太阳风中它不是好好的流动而是胡挤乱撞,生出许多波动和湍流,甚至把磁场也搞乱了。

2.3 行星际磁场

    太阳表面有不同强度的磁场。如太阳黑子 磁场很强达到数千高斯,它控制着黑子所在区域等离子体运动。同时太阳也有大尺度的全球性磁场,这磁场相对的弱,在日冕高度只有数高斯。由于日冕是高导电等离子体,磁场和等离子体“冻结”在一起的,若把磁力线想象成弹性的橡皮绳,所谓的磁场“冻结”在等离子体中,就是等离子体流元“粘附”在磁力线上。这样日冕等离子体喷出形成太阳风,就把太阳磁场携带出来,形成行星际磁场。其磁力线一端“固定”在太阳日冕等离子体上,另一端随太阳风拉向行星际空间。

    磁力线的弹性和刚性是由磁场强度决定的。在日冕底部甚至色球层,太阳磁场变强,磁力线向钢丝绳与日冕底部刚性连结,随太阳一起自传。而在日冕顶部,到三个太阳半径以外,磁场变弱,磁力线似橡皮绳,被太阳拉伸。这样行星际磁场磁力线靠近太阳一端随着太阳自传,而远离太阳部分基本是径向向外,在黄道面上附近行星际磁场力线是螺旋状的。

    在黄道面附近测量到的行星际磁场有一种扇形分布,即在某些太阳经度范围,磁场方向背离太阳。行星际磁场并不是总是具有四个扇形瓣的结构,例如1973年~1975年只有两个瓣。扇形瓣之间的边界称为扇形边界,它分开两个磁场极性相反的区域,这个边界必定是一电流片(或称中性片),边界厚度约为公里。有太阳高纬度伸出的磁场铺向黄道面,电流片基本是在黄道面上展开并形成若干丘陵似的起伏,观测到的行星际磁场的扇形分布,是由于地球时而处于电流片上面时而处于下面引起的。目前为止,人类发射的宇宙飞船均在黄道附近对太阳风和磁场进行观测,行星际空间对应太阳高纬度区是否有太阳风?太阳风和其磁场特性如何?只能做猜测性推断,尚没有可靠的观测资料证实。

2.4 高速太阳风和冕洞

    自然界并非总选择最简单的模式展露其真实。

    冕洞是日冕中低密度区,具有向外开放型单极的磁场,大多分布在太阳高纬度区,寿命均维持几个太阳自传周,太阳南北两极盖区存在永久性冕洞。冕洞也经常伸展到低纬区,太阳实验室的观测发现,所有大的靠近太阳赤道的冕洞都是太阳风高速流的源,高速流中行星际磁场的极性与冕洞下面大尺度磁场极性是一致的。

    既然太阳风高速流是由冕洞发出的,而冕洞大多数覆盖在太阳极区,那么高纬度太阳风多是高速流,这是“正常”太阳风。我们地球轨道观测到的“宁静”太阳风(低速流)只不过是“正常”太阳风扩展到黄道面的“边缘太阳风”。只在冕洞有时到达太阳赤道附近,地球上才吹到了“正常”太阳风。

    虽然现有的对太阳风观测是十分有限的,基本都在黄道面内进行的,不足以由此完全推断太阳风加速的物理过程,但是今年来对日冕和太阳风观测的进展却为建立完善的太阳风理论模式,提出了越来越严格的限制。当然真正的物理理论,是很美妙的,它不会出现任何纰漏,它经的住精细的测量和严格的限制。但是对自然界一个复杂过程做定量的描述时,科学家只有有限的几种数学手段,构造理论模型不得不做某些简化,忽略不重要的细节。而自然界本身的过程又从不忽略任何细节,完善的理论总是在不断地改造、精细、准确、逼真中前进的,这既是提出新理论的困难也是科学研究真正的魅力所在。

2.5 磁流体波动

    波动是物理学中复杂而有趣的一类现象,我们每个人都看见或体验不同形式的波。微风吹过湖面水面上漾起涟漪微波;大海上浪涌风急涌起不同尺度的海浪和波;音乐厅里传出的是音乐家创造出的供享受的声波和波包。这一切在物理学家眼里都只是波动,他们关心的是它怎样产生的,如何传播的。

    行星际空间是一个有着各种流动的等离子体的海洋,等离子体各种不稳定性,激发着各式各样的波动。等离子体中含有的波动及其丰富。因为它是一种到点的介质,包含电磁化和力学量变化的信息都能传播。

    Alfven 波在日地行星际空间,地球磁层乃至天体等离子体内,无处不在。它的发现有重大的意义。Alfven 波由太阳向外沿着行星际磁场传播,既带出太阳能量也传播信息。太阳风中观测到 Alfven 波的数据很充分,包含各种频率的低频 Alfven 波,其周期为数十秒到几小时都有。不同频率 Alfven 波形成波包,各波包间非线性相互作用形成湍流。目前有些人正是指望 Alfven 波,或湍流为太阳风提供其不足的能量。

    太阳风中没有声波。宇宙飞船上听不到太阳上的各种爆发的轰鸣声,它在行星际空间熄火飞行将是一片寂静的世界,因为任何太阳风上巨大声音在靠近太阳的外日冕区,几乎都衰减掉了。更何况行星际等离子体密度极稀薄,按地球上实验室的标准已经是难于到达的高真空,任何普通声波都已不能传播。但是太阳风中却存在着等离子声波,它与普通声波的区别,那真正是物力上一点微妙的差别,这里不在详述。

2.6 行星际激波

    激波,俗称冲击波。顾名思义它是由强烈压缩和冲击波产生的,实际上激波的形成有其独特的物理内涵。行星际空间激波现象设根丰富,它是太阳风中主要的大尺度结构。激波可想象为一个间断面,它分开前后等离子体有不同的密度、速度、磁场等数值。这个间断面保持自身的特性在传播就是激波。间断面是物理问题的数学抽象,间断面实际是有厚度的,它是连结两个不同物体特性等离子体的过渡区,过渡区必须完成某种复杂的物理过程才能维持两侧物理特性不变。当我们不关心过渡区内部过程,或者我们着眼的空间尺度比过渡区大得多,过渡区就当成了一个没有厚度的间断面。

    行星际空间有许多种不同性质的间断面,其中包括切向间断面、旋转间断面、快激波、慢激波。

    当激波形成后前向激波向前传播,加速前面的太阳风,而后向激波使高速太阳风减速。愈向行星际深处传播相互作用区加宽,而平静区逐渐缩小。当离太阳足够远时,比如说10AU时平静区已经被侵蚀掉,变成两相互作用区相互作用。所以在1AU附近太阳风中各种结构都与源区日冕底部的状态相关,它携带着太阳源区的某种信息。到更大距离上(~10AU)大的共转流,把所有这些结构都扫了起来,形成一些相距几个AU的大尺度结构,这一过程中小尺度的特征被抹掉了,各种流结构对流区的“记忆”也消失,变成了与太阳失去联系新的行星际特征。

2.7 宇宙线

    宇宙线是指在行星际空间或地球上观测到的极高能量的带电(或不带电)粒子。为什么叫这个奇怪的名字--宇宙线?因为科学家最初在实验室发现放射性元素衰变,或人工打开原子核时,放射出的电子、质子、氢核等运动速度都非常高,呈射线状,就成为××射线。此处所述的高能粒子来自天外,故称宇宙线。这些来自宇宙深处的高能粒子,直接进入地球磁层和大气中,记录和观察它们,可以获得宇宙深处的某些信息,科学家甚至专门守株待兔似的地希望捕捉到特殊的粒子以验证某些基本物理理论或间接证实我们的宇宙曾经发生过什么事。

    对于一般宇宙线粒子,人们在地球上和宇宙上观测和研究,已经得到许多成果,肯定地知道宇宙线的成分、宇宙线流量的强度、强度随时间的变化、能谱分析及它们在行星际空间传播的路径。关于宇宙线的起源,即带电粒子被加速到如此高能量的机制也有许多理论提出来。行星际空间观测到的宇宙线一般地说能量高的部分起源于太阳系之外,称银河宇宙线,能量低的部分起源于太阳系内,称太阳宇宙线,其中主要部分事太阳耀斑产生的也叫耀斑质子事件。

    太阳宇宙线的强度是随时间变化的。在地球轨道附近观测太阳宇宙线事件,常常是在耀斑发生后数十分钟,宇宙线强度急剧增加,经过很短的上升时间,达到极大值,然后按指数规律下降,第一个衰减的时间常数约为10~20小时,随后是一个更长时间的慢慢衰减。太阳宇宙线强度的变化与耀斑在日面的位置有关,发生在太阳日面西半球耀斑与东半球耀斑对应的宇宙线强度变化有明显区别,西半球耀斑产生的宇宙线强度上升快,有明显的峰值,而东半球耀斑产生的宇宙线强度上升较慢,强度也较弱。对这种观测结果的最好解释是宇宙线粒子传播受行星际磁场影响,由于行星际磁场是螺旋状的,与地球相交的磁力线根部,在太阳日面西半球左右,西半球耀斑产生的宇宙线粒子,沿着磁力线容易到达地球,产生较高的强度。

    在太阳系行星际空间中高能粒子能量分布由最低能量的太阳风等离子体到极高能量达eV的银河宇宙线,几乎是连续分布,很难划一严格界限,区别开太阳宇宙线和银河宇宙线。但是由于在太阳事件中很少检测到高于10GeV能量的粒子,因而认为高于10GeV能量的粒子是银河起源的,称为银河宇宙线。

    银河宇宙线由很高的能量和占有很宽的能域,这些高能粒子起源加速机制,又很重要的学术价值,一直吸引科学家追索研究。其中包括:费米加速机制、激波加速、中性片磁场重联、星体坍缩。此外还有其他可能加速机制,不一一赘述。

 
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